董 亮,雷良育,劉 兵,李雪原,張 輝

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院,浙江 臨安 311300)

一種基于TNY280與PID算法的數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計(jì)與開發(fā)*

董 亮,雷良育*,劉 兵,李雪原,張 輝

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院,浙江 臨安 311300)

開關(guān)電源作為一種小體積高效率電源有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,但大部分傳統(tǒng)開關(guān)電源是不可調(diào)節(jié)的,穩(wěn)定性較差,為了克服以上缺點(diǎn),該設(shè)計(jì)借助STC12C5A60S2單片機(jī)采用增量式PI算法對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),開發(fā)了一款數(shù)控開關(guān)電源,其電壓調(diào)節(jié)范圍為5 V～25 V,最大輸出功率為30 W,具有過(guò)載保護(hù)功能,輸出穩(wěn)定,精度較高。

開關(guān)電源;可調(diào)輸出;PID算法;PWM控制

開關(guān)電源自十九世紀(jì)八十年代開始發(fā)展,到現(xiàn)在已經(jīng)獲得了較好的應(yīng)用效果,但仍然存在著精度低、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)直流電源大部分是線性電源,主要采用模擬控制方法,通過(guò)比較器、調(diào)節(jié)器來(lái)控制輸出電壓,電源的輸出功率受到了一定的限制,且效率不高,一旦成型將難以更改,不利于集成化[2]。數(shù)控開關(guān)電源采用數(shù)控制技術(shù)克服了以上缺點(diǎn),提高了電源工作的穩(wěn)定性。本數(shù)控開關(guān)電源基于TNY280電源芯片,采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行開發(fā)。供電采用220 V交流電源,由按鍵設(shè)定所需的輸出電壓,分度值為0.1 V,由采樣電路獲得的輸出電壓和電流反饋給單片機(jī)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和過(guò)載保護(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

電路主要由整流濾波電路、功率變換電路、單片機(jī)控制電路、按鍵電路、顯示電路、輸出電路和采樣電路等組成[3]。依靠硬件電路的設(shè)計(jì)和改良幾乎無(wú)法完成輸出精度的要求,這就需要進(jìn)行軟件補(bǔ)償,軟件補(bǔ)償?shù)脑硎窃谟布答伒幕A(chǔ)上,采用單片機(jī)自帶AD模塊進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換,經(jīng)控制器計(jì)算分析后,通過(guò)PWM形式輸出到功率變換電路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,使輸出電壓進(jìn)一步接近目的輸出電壓。單片機(jī)在進(jìn)行決策時(shí),對(duì)輸出電壓與目的輸出電壓進(jìn)行比較,采用PID算法對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行精確調(diào)整,以獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出[4]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路如圖2所示。系統(tǒng)由STC12C5A60S2作為主控制器[5],在眾多的51內(nèi)核單片機(jī)中,STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60 K的FLASH ROM,是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)[6],它自帶2路PWM,內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換[7],滿足該設(shè)計(jì)的控制要求。單片機(jī)控制電路如圖3所示。其主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、鍵盤輸入電路、按鍵復(fù)位電路、時(shí)鐘電路與LCD1602液晶顯示電路等組成。在控制器上連接了4個(gè)按鍵,分別為設(shè)置鍵、加鍵、減鍵、確認(rèn)鍵,可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓進(jìn)行改變的功能。LCD1602液晶顯示器,實(shí)時(shí)地顯示出當(dāng)前的輸入電壓、輸出電壓與輸出電流值[8]。

圖2 單片機(jī)控制電路圖

圖3 主體電源電路圖

2.2 主體電源電路

主體電源電路如圖3所示。作為電路功率輸出部分,其核心部分主要由TNY280電源芯片、功率變壓器T1、TL431穩(wěn)壓管等組成。圖3中,TNY280負(fù)責(zé)AC-DC變換任務(wù),其內(nèi)部集成了700 V的MOSFET,132 kHz的振蕩器[9]。光耦PC817配合可控穩(wěn)壓二極管TL431構(gòu)成精密反饋電路,對(duì)主體電源輸出進(jìn)行調(diào)整。T1為多級(jí)變壓器,負(fù)責(zé)主體電源和輔助電源的降壓工作。D10為肖基特二極管,滿足高頻整流工作的需求。C7、C8、C9、C10及L1構(gòu)成π型濾波電路[10],進(jìn)一步穩(wěn)定輸出。TNY280的輸出受控于光耦PC817,而光耦的通導(dǎo)與關(guān)斷與可控穩(wěn)壓二極管TL431相關(guān)。因此,通過(guò)控制TL431的擊穿電壓,就可以控制該開關(guān)電源的輸出電壓。

Uref為TL431的參考極對(duì)地電壓,約為2.5 V,無(wú)激勵(lì)時(shí),其穩(wěn)壓輸出值Up如式(1):

Up=Uref+(R5/R6)Uref

(1)

PWM輸出對(duì)TL431外加激勵(lì)電壓UR7,計(jì)算修正得TL431的穩(wěn)壓值Up′如式(2):

Up′=Uref+(R5/R6)(Uref-UR7)

(2)

通過(guò)改變UR7的值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出穩(wěn)壓值的調(diào)節(jié)。PWM由單片機(jī)直接輸出,其調(diào)節(jié)范圍為0～5 V,經(jīng)過(guò)電阻R8、R9分壓,使得UR7調(diào)節(jié)范圍為0～2.5 V。

2.3 電壓電流采樣電路

電壓電流采樣電路如圖4所示。R10與R11串聯(lián)后并接到輸出端,R11上端電壓值輸出到單片機(jī)P1.0口作為電壓采樣值,其分壓比為R11/(R11+R12)≈0.13,C14、C15為抗干擾電容。輸出低電位端串聯(lián)電流采樣電阻R12,作為實(shí)際輸出的負(fù)極,R12把輸出電流值

轉(zhuǎn)換為電壓值,送入單片機(jī)P1.1口,供單片機(jī)識(shí)別相應(yīng)的電流值。由于其電阻值較小,僅0.05 Ω,對(duì)輸出電壓幾乎無(wú)影響,但是采集的電壓較小,需采用LM358運(yùn)放進(jìn)行放大,其放大倍數(shù)為1+R15/R14=25。

圖4 電壓電流采樣電路圖

3 PID控制策略及實(shí)現(xiàn)

3.1 PID控制算法

PID控制算法原理圖如圖5所示。數(shù)控開關(guān)電源由按鍵設(shè)定輸出電壓r(t),給出相應(yīng)的PWM輸出,對(duì)應(yīng)輸出適當(dāng)電壓值,此數(shù)據(jù)通過(guò)采樣電路反饋給單片機(jī),單片機(jī)采用內(nèi)部集成的AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到測(cè)量值,與設(shè)定值r(t)進(jìn)行比較得到偏差е(t),再計(jì)算出控制量u(t)。最后得到可靠正確的被控輸出量y(t)[11],實(shí)時(shí)進(jìn)行微調(diào)節(jié)。

圖5 PID算法原理框圖

上述的控制規(guī)律可用以式(3)表達(dá):

(3)

式中:KP為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。

對(duì)式(3)進(jìn)行離散化處理,得到式(4):

(4)

控制量u(k)的每次輸出都與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān),式中要用到上次偏差的累加值,容易產(chǎn)生比較大的累計(jì)偏差,可利用增量式控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。由式(4)可得:

(5)

將式(5)-式(4)得:

(6)

該算法只要當(dāng)前與過(guò)往3個(gè)時(shí)間的偏差值就能計(jì)算出控制量和增量,能夠有效避免計(jì)算誤差和精度帶來(lái)對(duì)控制量的影響。

3.2 增量式PI控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)

由上節(jié)對(duì)PID控制的原理可得到,忽略其微分分量,則模擬PI控制的式為:

(7)

離散化為:

(8)

式中:KP為比例系數(shù),KI為積分系數(shù),則增量式PI算法表達(dá)為:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+
KITSe(k)=n0e(k)+n1e(k)

(9)

式中:n0和n1為調(diào)節(jié)參數(shù)。依據(jù)式(9)實(shí)現(xiàn)增量式PID算法流程圖如圖6所示。

圖6 增量式PI算法流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

完成設(shè)計(jì)制作的數(shù)控開關(guān)電源。使用數(shù)字電壓表、示波器、功率型模擬負(fù)載、功率表等儀器儀表設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)控開關(guān)電源性能進(jìn)行綜合測(cè)試。其空載、負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果分別如表1～表3所示。

表1 空載性能測(cè)試結(jié)果

表2 負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果1

表3 負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果2

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)綜合測(cè)試,電源輸出電壓步進(jìn)可調(diào)節(jié),輸出波紋較小,運(yùn)行穩(wěn)定,無(wú)噪音,電源平均工作效率達(dá)到80%,且具有過(guò)載保護(hù)功能,滿足了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)成本低廉,結(jié)構(gòu)輕巧,界面友好,稍加改造,即可應(yīng)用于自控設(shè)備中,應(yīng)用前景較廣。

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DesignandDevelopmentofaDigitalControlSwitchPowerSupplyBasedonTNY280andPIDAlgorithm*

DONGLiang,LEILiangyu*,LIUBing,LIXueyuan,ZHANGHui

(School of Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an Zhejiang 311300,China)

The switching power supply as a small volume,high efficiency power supply is becoming more and more popular,but most of the traditional switching power supply is not adjustable and poor stability. In order to overcome the above shortcomings,a design uses the STC12C5A60S2 MCU and the incremental PI algorithm to optimize the traditional switching power supply,a numerical control switching power supply was developed,its output voltage range is adjustable form 5 V to 25 V. Its maximum output power is 30 W. It has the functions of overload protection,stable output,and high precision.

switching power supply;adjustable output;PID algorithm;PWM control

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.021

項(xiàng)目來(lái)源:2015年杭州市蕭山區(qū)引進(jìn)海外高層次人才“5213”計(jì)劃項(xiàng)目

2016-09-02修改日期2016-12-07

TN86

A

1005-9490(2017)05-1156-05

董亮(1990-),男,江蘇溧陽(yáng)人,碩士,主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制技術(shù),dongliang1990@foxmail.com;

雷良育(1966-),男,湖北蘄春人,博士,教授,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電檢測(cè)與控制技術(shù)、新能源汽車控制技術(shù),lly@zafu.edu.cn。